Раздел 2. Аналоговые устройства

Лекция 2. Транзисторные усилители

Усилителем называют устройство, в котором входной сигнал напряжения или тока используется для управления током (а, следовательно, и мощностью), поступающим от источника питания в нагрузку. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом.

Усилитель – устройство, предназначенное для повышения мощности полезного сигнала за счет энергии источника питания

2.1. Основные параметры и характеристики

Все параметры усилителей можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным параметрам относятся: допустимые значения входного тока и напряжения, входное сопротивление и входная емкость. Обычно эти характеристики определяются параметрами источника входного сигнала.

Основными передаточными параметрами усилителя являются его коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности:

К_i = I₂ / I₁ К_u = U₂ / U₁ К_p = P₂ / P₁

График зависимости выходного напряжения от входного называется передаточной характеристикой и для обычного усилителя имеет три участка

область нечувствительности - при очень малых входных сигналах усиление отсутствует, выходной сигнал меньше входного

область линейного усиления - здесь коэффициент усиления постоянен, форма выходного сигнала совпадает с формой входного

область насыщения – выходное напряжение близко по величине к напряжению питания и не возрастает при росте входного напряжения.

Динамический диапазон усилителя - отношение максимально допустимого значения входного сигнала к его минимальному значению.

Обычно динамический диапазон усилителя выражается в децибелах:

D = 20 * lg ( Uвх max / Uвх min )

Коэффициент усиления в общем случае является комплексной величиной, т.е. он зависит от частоты входного сигнала и характеризуется не только изменением амплитуды входного сигнала с изменением частоты, но и его задержкой во времени, т.е. изменением его фазы. Частотные характеристики усилителя описывают его динамические свойства в частотной области. В зависимости от ширины полосы пропускания усилители делятся на:

• высокой частоты,

• низкой частоты.

• широкополосные,

• избирательные (резонансные).

2.2.. Усилительный каскад с общим эмиттером

Рис. 2.1. Схема усилительного RC- каскада

с общим эмиттером

Назначение элементов В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей, а резистор R_k, с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора. Полярность источника питания зависит от типа транзистора.

Резисторы R1 и R2 , обеспечивают работу входной цепи транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала. Благодаря этому делителю можно получить оптимальные значения тока базы I_бп и напряжения между базой и эмиттером U_бп, соответствующие середине линейного участка входной характеристики.

Конденсатор С1 служит для включения источника переменной входной ЭДС е_вх, с внутренним сопротивлением R_вн в цепь базы. В отсутствие этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Е_к, который мог бы вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Аналогичный конденсатор связи можно включить и на выходе усилительного каскада, что обеспечивает выделение из коллекторного напряжения переменной составляющей, которая может подаваться на нагрузочный резистор R_н или нагрузочное устройство с сопротивлением R_н.

Принцип действия

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

E_K = U_K + R_KI_K.

Поскольку коллекторный ток во много раз превышает ток базы, а сопротивление R3=R_к больше R_вх, выходное напряжение усилительного каскада с общим эмиттером получается во много раз больше входного напряжения , что и называется эффектом усиления.

Если изменения входного напряжения, тока базы i_б и тока коллектора i_к укладываются в линейные участки входной и переходной характеристик, то форма входного напряжения будет соответствовать форме входного напряжения.

Существенным недостатком транзисторов является зависимость их параметров от температуры. Для уменьшения влияния температуры на характеристику усилительного каскада с общим эмиттером в цепь эмиттера включают резистор R_э, шунтированный конденсатором С_э. В цепи базы для создания начального напряжения смещения U_бэ между базой и эмиттером применен делитель R2-R1. Напряжение U_бэ зависит от сопротивления резисторов

При наличии резистора R_э увеличение эмиттерного тока I_э=I_б+I_k из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на резисторе R_э. Это вызывает снижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера, а следовательно, уменьшению токов I_э и I_к. Уменьшение коллекторного тока за счет действия резистора R_э не может полностью скомпенсировать рост его за счет повышения температуры, но влияние температуры на ток I_к при этом во много раз снижается. Для ослабления ООС параллельно резистору R_э включают конденсатор С_э. Емкость конденсатора С_э выбирают таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого напряжения его сопротивление было много меньше R_э. При этом падение напряжения на участке R_э  С_э от переменной составляющей i_э будет незначительным, поэтому усиливаемое напряжение практически равно входному напряжению: u_бэ = u_вх. Такой способ температурной стабилизации называют эмиттерной стабилизацией.